FPGA提升智能手机设计差异化

当今手机行业的创新速度之快可谓前所未有，用户不断对手机提出更多的要求。智能手机、平板电脑和其它电池供电设备已经不再是简单的通信设备。现在通过集成诸多的“一直在线”的功能（如导航、电子邮件、电话、互联网接入和相机等），它们可以提供许多的个人服务。

　　在两大领先操作系统之间进行选择时，智能手机设计人员需要依赖硬件实现产品的差异化，从而在激烈的竞争中立于不败之地。可编程逻辑器件可以为手机系统架构师提供快速创新，给他们的产品增加新功能。这正是可编程逻辑器件可以为手机系统带来直接价值的体现。下面的一些例子说明了为什么使用低成本、低功耗的可编程逻辑器件可以为手机设计带来附加价值以及如何才能成功地实现。

　　手机行业内不同步的产品开发周期

　　阅读这篇文章的读者可能已经知道，手机和芯片厂商的产品设计周期完全不同。我们会发现，通常每隔一个月就会有新的手机模型推出，而芯片厂商发布新版本芯片的节奏则慢得多。虽然这有着现实和明显的原因，但是手机系统架构师也面临着实实在在的设计挑战，即如何实现芯片厂商所无法支持的越来越快的产品创新周期。最近公布的MIPI电池接口（BIF）标准就是一个很好的例子。

　　MIPI电池接口标准

　　双核和四核处理器的使用以及市场对增强用户体验的需求会导致功耗增加，而对电池供电、寿命和使用时间产生直接影响。如何取得最佳的电池供电、电池容量、化学、安全性和外形尺寸之间的平衡是一个重要的设计挑战。MIPI-BIF建立的通信协议为系统设计人员提供了一种方法：在有需要时才读取参数，从而优化设备使用时的功耗并优化电池充电。对于需要确保用户安全的系统，它还提供了一种方法来验证电池。虽然MIPI标准已经公布，但是芯片厂商却仍然需要时间，将该标准加入到他们的产品当中。然而，手机设计人员则可能希望更快地利用MIPI-BIF的优势。可编程逻辑器件就非常适合在这种情况下使用，因为其可以使移动系统架构师使用现有的芯片或应用处理器来实现新的标准。事实上，MIPI发布BIF标准不久后，莱迪思（Lattice）半导体公司就宣布支持该标准，并与主要客户合作，开始着手实现。

　　图1是使用低成本、低功耗的FPGA在现有的应用处理器和最近发布的MIPI-BIF标准之间构建桥接的示例。使用低功耗FPGA可以实现BIF电池通信线（BCL）上的通信。由于在应用处理器侧通常都有I2C接口，因此该接口是连接主应用处理器和FPGA的最佳选择。在I2C标准之上定义了一个简单的协议，以实现主机和FPGA之间的通信。如果需要的话，可以很容易地采用FPGA解决方案定制主机接口。同时，可以使用FPGA进一步定制BIF接口/协议。此外，FPGA还为客户提供了灵活性，甚至是在同一个低功耗的FPGA器件内集成其他功能。通过使用低功耗FPGA与应用处理器相结合，手机制造商可以根据需要在他们的产品中实现大量的差异化特性/功能，从而使其产品与众不同。

　　图1 使用低功耗FPGA实现新的标准。
由于芯片厂商不支持某些标准而降低了灵活性

　　尽管长久以来大多数芯片制造商一直宣传和吹嘘“片上系统”和“全面集成”，芯片组通常设计用于满足广泛的市场需求，因而可能不支持某些特殊的标准。这就无法为手机系统架构师提供宝贵的灵活性。此外，在芯片制造商采用新标准时，他们往往就会从其产品系列中完全删除旧标准。这就进而从手机制造商的系统架构师和器件采购团队手中夺走了宝贵的灵活性。往往在这些情况下，系统架构师可能会因为最新的特性而希望采用最新的芯片组解决方案，而采购团队则可能希望继续使用某些旧的标准（即使最新的芯片组并不支持），以提供供应的灵活性。

　　在此，FPGA可以再一次提供极大价值。图2说明了如何使用低成本、低功耗的FPGA，通过提供一种简单方法桥接两种不同标准，实现设计的灵活性。从图中可以看到，如何使用具有定制接口的地面电视广播调谐芯片与不支持该接口的应用处理器连接。图2中的主机接口采用SPI总线连接，该总线在应用处理器中十分常见。同时，与应用处理器之间的通信可以使用FPGA按需求进行定制。

　　图2：使用低功耗FPGA实现接口桥接。

　　智能手机中的传感器数量急剧增长。高端智能手机中使用了多种传感器，如陀螺仪、多摄像头、触摸屏、加速度计、磁力计、环境光传感器和GPS等。未来的手机将能感应到更多的周边环境信息（感应海拔、温度和湿度等），同时提供更多的增值功能（如人体生命体征的监测）。传感器的大量使用对用户体验有着很大的影响。例如，大多数智能手机用户都知道使用GPS导航对电池续航时间有着直接和显著的影响。

　　此外，一些智能手机的操作系统规定了某些关键传感器（如触摸传感器）的轮询频率。触摸传感器可能需要以数百kHz的频率轮询，以确保良好的用户体验。在那些应用处理器直接与传感器相连的架构中，传感器需要由应用处理器主动管理，这对功耗有直接影响。

　　图3显示的是使用一个低功耗FPGA与应用处理器相结合，实现移动平台上传感器管理的结构图。独立I2C主器件可用于管理不同的传感器，以确保每个传感器的输出正确。需要更高的吞吐量的传感器（如触摸传感器），可以在需要时使用独立的I2C总线连接到FPGA。智能传感器集线器可以设计为将不同传感器产生的中断聚合起来，根据预定义条件，产生应用处理器中断。这种设计方法可以使应用处理器长时间进入待机状态，从而降低功耗，或者释放应用处理器以执行其他重要任务。

　　图3：将FPGA用作智能传感器集线器。

　　本文小结

　　手机市场的竞争十分激烈，许多手机制造商不断推出新的产品。手机制造商的产品开发周期与芯片或应用处理器的开发周期完全不同。在某些情况下，这成为了手机制造商需要在其产品中实现尖端功能的一个瓶颈。此外，产品的差异化已经成为一个关键的挑战，因为手机采用了相同的操作系统，而使得消费者可能获得相似的用户体验。因此，手机制造商需要利用硬件特性来区分他们的产品。手机系统设计师不断尝试在增加新功能、降低功耗和成本之间取得平衡。在这样一个充满活力的环境中，低成本、低功耗的FPGA（如莱迪思半导体公司的iCE40器件）将是帮助手机架构师设计新功能、实现产品差异化的理想选择。